UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR Unipolární tranzistor neboli polem řízený tranzistor, FET (Field Effect Transistor), se stejně jako tranzistor bipolární používá pro zesilování, spínání signálů a realizaci logických funkcí. Jeho přednostmi jsou především velmi vysoký vstupní odpor, malý řídicí příkon, velký rozsah kolektorových proudů. Mělká struktura umožňuje vysoký stupeň integrace, dobrý odvod ztrátového výkonu tranzistoru z čipu. Pracovní bod lze nastavit již při výrobě bez použití vnějších součástí. Základní typy unipolárních tranzistorů: MOS-FET izolace vrstvou oxidu SiO2(Metal Oxid Semiconductor) J-FET izolace PN přechodem v závěrném směru (junction-) N nebo P předřazené znaku znamená typ vodivosti kanálu C předřazené znaku znamená prvek s kanály P i N Princip a schematickou značku nejčastějšího tranzistoru N-MOS ukazuje obr. 3.22. V základním materiálu typu P je vytvořen tenký kanálek vodivosti typu N s vývody označenými E - emitor (též S - source) a K - kolektor (též D - drain). Kanálek je překryt tenkou izolační vrstvou SiO2, na níž je napařena kovová řídicí elektroda G1 (gate). Záporné napětí na řídicí elektrodě G1 proti vývodu E vypudí elektrostatickým polem z kanálku N nosiče nábojů - elektrony a tím způsobí pokles jeho vodivosti. Tranzistor je tedy řízen napětím na řídicí elektrodě UG.
Obr. 3. 22
Intenzitou dotace příměsi v kanálku je možno vyrobit tranzistory buď s ochuzujícím modem, které propouštějí kolektorový proud při nulovém UG nebo s obohacujícím se modem, které jsou při UG = 0 nevodivé. Vedle polem řízených tranzistorů s N kanálem jsou vyráběny tranzistory s P kanálem, u nichž kladné napětí UG snižuje a záporné zvyšuje vodivost kanálu. Tranzistory s P kanálem mají ve schematické značce šipku v elektrodě G2 znázorňující nosnou destičku substrátu, orientovanou ven. Šipka v G2 znázorňuje vodivost diody kanál - G2 (substrát). G2 se většinou spojuje s emitorem E.
Statické charakteristiky unipolárního transistoru N-MOS na obr. 3.23. Vstupní charakteristika se nekreslí. Výstupní charakteristiku v okolí pracovního bodu lze nahradit lineární aproximací dle vztahu (3.12),:
I k = y21 . UG + y22 . U k
(3.12)
kde parametry jsou strmosti charakteristik: převodní y21 = S je řídicí strmost, bývá 0,3 až 30 mS, výstupní y22 výstupní vodivost, bývá 10-5 až 10-3 mS.
Mezní parametry Ikmax, Ukmax, Pmax jsou dány stejně jako u bipolárních tranzistorů a jsou řádově stejné. Ugmax má u MOS - FETů dovolenou hodnotu v obou polaritách stejnou, asi 20 V. Její překročení vede k okamžitému zničení tranzistoru průrazem izolační vrstvičky pod řídicí elektrodou. Vysoký vstupní odpor (větší než 109 ) a malá kapacita řídicí elektrody (cca 3 pF) způsobí naindukování vysokého napětí i malým přeneseným nábojem, např. při vyjímání prvku z polyethylenového sáčku, náhodným dotykem atd. Proto výrobce často vytváří přímo na čipu paralelně mezi řídicí elektrodou a čipem Zenerovu diodu, která nadměrná přepětí svede.
Obr. 3. 23 Pozn.: Přesto, že moderní prvky s FET prvky, jakými jsou např. mikroprocesorové obvody, chýněny ochrannými diodami umístěnými přímo na čipu, doporučuje se je transportovat v antistatických pouzdrech nebo ve staniolu, při pájení používat páječku na nízké napětí, její hrot vodivě spojit se vývodem substrátu. Trasformátorová, tzv. pistolová páječka se pro práci s MOS prvky nedoporučuje, neboť je zejména při spínání a vypínání tlačítka zdrojem značného přepětí.
Porovnání vlastností unipolárních a bipolárních tranzistorů Výhody polem řízených tranzistorů proti bipolárním: 1. Velmi vysoký vstupní odpor (109 až 1013 ) znamená téměř nulovýstatický vstupní proud anulový vstupní příkon ve statickém režimu. Vstupní obvod staticky nezatěžuje zdroj signálu - předcházející stupěň. 2. Výstupní obvod otevřeného tranzistoru se chová jako ohmický odpor, při malém proudu Ik je napětí Uk tranzistoru téměř nulové (RDS(on) < 0,01 ). Kladný koeficient teplotní závislosti odporu RDS(on) usnadňuje paralelní řazení tranzistorů. 3. Na otevřeném tranzistoru je možné dosáhnout velmi malého úbytku napětí a tím velmi malých výkonových ztrát, velikých proudů. 4. Možnost velmi velké hustoty integrace, protože: a) struktura je velmi mělká, lze dosáhnout velké rozlišovací schopnosti při výrobě. N MOS tranzistor se stal začátkem 70tých let základní součástkou mikroprocesorů a podmínil vývoj moderní mikroelektroniky. b) velmi malý vstupní příkon umožňuje navrhnout i předchozí stupně na malý výkon a umístit je na malé ploše c) tím, že lze volit ochuzením či obohacením kanálu polohu charakteristiky pro UG = 0, nejsou zapotřebí obvody pro nastavení a posouvání pracovního bodu d) kombinací N MOS a P MOS FETem tvoří C MOS integrované obvody 5. Relativně malý vlastní šum, zejména u J-FETů, které pracují až do velmi vysokých frekvencí (20 GHz). Nevýhodou MOS-FETů je zatím omezené pracovní napětí kolektorového obvodu - pod 1000 V. Částečně řeší IGBT - viz dále. Nevýhodou MOS-FETů staršího provedení bylo nebezpečí snadného proražení řídicí elektrody, pokud není chráněna. Proto se provádí ochrana hradla ochrannými diodami, které mohou být integrovány přímo na čipu nebo se připojí z vnějšku. Prakticky dosažitelná rychlost spínání u MOS-FETů do značné míry závisí i na budicím obvodu tranzistoru, který musí u rychlých spínačů dodávat velký proud, potřebný pro nabíjení a vybíjení kapacity hradla řízeného tranzistoru. Částečně řeší IGBT - viz dále.
IGBT TRANZISTOR C C G
G Rs
E a)
b)
E
Obr. 3. 25
IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzistor) je struktura, která se svými vlastnostmi chová jako unipolární tranzistor na vstupu a bipolární tranzistor na výstupu. Jeho schematická značka a náhradní schéma struktury jsou na obr. 3. 25 a) a b). IGBT slučuje výhody napěťového řízení a menšího saturačního napětí při možnosti provozu s napětím Uk i přes 1000 V. Vzhledem k dobrým dynamickým vlastnostem se uplatňuje zejména ve výkonových měničích od malých až k největším výkonům. Předností IGBT jsou poměrně dobré dynamické vlastnosti a možnost jejich ovlivnění již při výrobě. V současné době jsou na trhu čtyři kategorie těchto tranzistorů, které se liší poměrem velikosti statických ztrát (v sepnutém stavu) a ztrát při přepínání, které při vyšší frekvenci spínání reprezentují rozhodující ztrátový výkon. Kategorie STD (standard) je vhodná pro provoz do 20 kHz, kategorie FAST a ULTRAFAST jsou určeny pro aplikace do 40 resp. 80 kHz a kategorie WARP jsou určeny pro rychlé spínané zdroje pro frekvence do 150 kHz (při proudu do 27 A a napětí 600 V. Hlavní uplatnění nacházejí IGBT ve výkonových měničích pracujících s pulzní šířkovou modulací výstupního napětí, ve spínaných zdrojích a rychlých spínačích.
STUPEŇ SE SPOLEČNÝM EMITOREM S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM NMOS.
Řešíme soustavu rovnice charakteristiky unipolárního tranzistoru a rovnic vnějšího obvodu. Schéma zapojení stupně je na obr. 5.18.
+12V R 1k5 k
K
ik
10k
G1 u g
u
R G
g
4M7
-5V
UA
G2 E
uk
0V
33k
Obr. 5.18. Pozn.: Pracovní bod je pro tranzistor BS108 nastaven potenciometrem tak, že iko = 3,3 mA (ugo = -2 V), potom uko = UA - Rkiko = 5 V Pokud však volíme unipolární tranzistor, který má vhodný kolektorový proud při Ug = 0, můžeme zdroj záporného napětí vynechat a rezistor RG připojit na společnou sběrnici 0V. Pozn.: Použitý unipolární tranzistor je typu NMOS, zapamatujeme si to tak, že elektroda G2 znázorňuje substrát, tj.podložku čipu. Šipka znázorňuje vodivost diody mezi substrátem a kanálkem. Substrát je zde anoda diody, má vodivost P, proto kanálek tvoří katodu diody, má vodivost N. Podle vodivosti kanálku označujeme typ tranzistoru NMOS nebo PMOS.
Ik [mA]
0,8V
0,6V
I K = U A / R K = 12 mA
12 0,4V 10
ŽO TĚ ZA
SD
+0,2V
P. CÍ VA
8
Ug=0V
6 -0,2V 4
-0,4V 2 -0,6V -0,4
-0,2
0
+0,2
+0,4
0
+0,6
2
4
+0,8
Ug[V]
6
8
Uk[V]
Rovnice vnějšího obvodu podle metody smyčkových proudů pro UA =konst. tj.
Rk i k + u k = 0
10
12
14
U A = 12V
-0,6
UA = 0: (5.39)
lineární aproximace kolektorové charakteristiky viz kapitola 3:
ik = y21 . u g + y22 . uk
(5.40)
Dynamická strmost Sd (je analogická dyn. proud. zesílení):
Sd =
y 21 ik = u g 1 + y 22 . R K
Au =
uk - RK . ik = = - R K .S d ug ug
(5.41)
Napěťové zesílení:
(5.42)
